令和５年度「地熱井掘削監督者養成講座」
空気混合泥水掘削について

西日本技術開発株式会社
地熱業務本部 地熱部

0目次
I. 空気混合泥水掘削とは

II. 空気混合泥水掘削の実務

• 概要

• 計画

• 原理

• 組立・解体作業• 長所• 坑内作業• 短所• 掘削中評価• 必要な機器・設備• 関連法令1

Ⅰ

空気混合泥水掘削とは

• 概要
• 原理

• 長所
• 短所
• 必要な機器・設備
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概要
工法：
掘削泥水に圧縮空気を混入させ、泥水の見掛け比重を下げることにより、逸泥状態であっても泥水循環が確立することが可能な掘削工法適用されるケース：
逸泥状態において、逸泥層の閉塞が困難な場合
既存貯留層や周辺坑井への泥水等による影響を低減したい場合
掘進率向上及び掘削用水が少ない場合 etc.
使用機材：
高圧・大容量コンプレッサーシステム、坑口装置及び気泡生成用の資機材 etc.

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原理
①バランス掘削：逸泥が無い状態での循環掘削②オーバーバランス掘削：坑井内の圧力を地層圧より高くして、地層流体の坑内流入を抑えながら掘削（逸泥掘削）③アンダーバランス掘削：
坑井内の圧力を地層圧より小さく保ちながら掘削→掘削泥水に圧縮空気を混合することでアニュラス部泥水の見掛け比重を下げ、坑井内圧力を小さくする
地表泥水柱圧力

自然水位

貯留層圧
力

貯留層

空気
混合泥水柱圧力

貯留層圧力「最新の坑井掘削技術（その３）」に加筆
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長所・短所

長所

短所

透水性低下（ﾌｫｰﾒｰｼｮﾝﾀﾞﾒｰｼﾞ）の低減

専用の資機材，特殊エンジニアが必要

カッティングス（地下情報）の回収

坑径拡大・崩壊掘削工期の短縮

坑内フラッシュの可能性上昇

5長所（透水性低下(ﾌｫｰﾒｰｼｮﾝﾀﾞﾒｰｼﾞ)の低減）➢ 逸泥層の透水性低下リスクの低減• 掘屑（カッティングス）による逸泥層の目詰まり、いわゆるフォーメーションダメージが低減される。生産井の噴出に当たっては、地層温度と透水性が重要な要素であり、このうち、透水性低下リスクが低減されることで噴出の確度並びに生産量の増大が期待される。
• フォーメーションダメージが大きいと坑井の仕上げに時間とコストが掛ったり、仕上げ後の生産量または還元量の低下が危惧される。
• 還元井の掘削及びビット浚渫において、逸泥掘削・浚渫と比較して空気混合泥水・清水を使用した方が還元量が増大したケースがある。

掘屑（カッティングス）による逸泥層の目詰まり「最新の坑井掘削技術（その３）」に加筆

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長所（カッティングスの回収）➢ 逸泥状況下においてカッティングスを地上回収
逸泥状態でも泥水循環が確立でき、カッティングスを地上回収することができます。
カッティングスから得られる地質等の地下情報は地熱系概念モデル（地質モデル）の精緻化に寄与することになり、特に、オフセットウェルが少ない地域の調査井の掘削では大変有効になる可能性がある。

例：地下情報の収集による地質モデルの精緻化(JOGMEC HPより引用、加工)7長所（掘削工期の短縮化）• 掘削工期の短縮化➢掘進率の向上に寄与（低泥水柱圧による地層圧の解放、アニュラス速度増でカッティングス排除効率化）➢ダウンタイムの低減（逸泥対策、貯水待機）➢抑留リスクの低減（差圧抑留リスク、Pack-offリスク）

送泥レート1000,1500,2000L/min、送気レート0~50m3/minで変化させたときの解析例
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短所• 専用の資機材，特殊エンジニア等が必要
通常の泥水掘削に加えてコンプレッサー、ローテティングヘッド等の坑口装置並びにエア／マッドセパレーター等の専用資機材を準備する必要がある。
送泥量・エア送気量の調整等を行う特殊エンジニアの招聘、腐食ダメージ発生抑制のためインヒビター（腐食防止剤、酸素除去剤、スケール防止剤）の使用、フォーマー・デフォー
マーの準備等、通常と異なる泥水管理も必要となる。

大容量の高圧コンプレッサーは一部リース会社も保有している一方、ブースターコンプレッサーを国内で運用する企業は限定的のため、余裕をもって資機材を手配する。

• 坑径拡大・崩壊等による坑内トラブル発生掘削区間の地層状況から軟弱な岩相が想定される場合、本工法の導入には入念な検討が必要。

• 坑内フラッシュ・噴出による怪我のリスク上昇
リアルタイムモニタリングによる坑内状況の把握と適切な流量調整、注水鎮圧系統、暴噴防止装置の日常的な点検や使用訓練の励行。
※複数の逸泥層に遭遇し、且つ、坑内流動（ダウンフロー／アップフロー）がある場合、掘削中の坑内圧力バランスが複雑となることから泥水回帰を得られないケースが多い

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必要な機器・設備• コンプレッサー類• エアマッドセパレータ• ローテティングヘッド、ストリッパーラバー• サブ類（逆止弁）• パイプマニホールド（コンプレッサ出口、スタンドパイプ入口）• 計器類• エア配管• 流量調整弁、脱圧サイレンサー

10必要な機器・設備（配置系統概念図）
空気
混合
泥水

タンク、気泡材注入設備 シェーカー類
泥水ポンプ

キルライン

ローテティングヘッド

エアバイパスライン

スタンドパイプ
マニホールド
耐熱ポンプ

アニュラーBOP

ピット
またはタンク

ラムBOP
主弁

袖弁

エア/マッドセパレータ

カッティングス、
泥水、熱水

坑井
エア流量記録計

脱圧サイレンサー

エアコンプレッサー
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コンプレッサー類（プライマリーコンプレッサー）
役割：大容量圧縮空気の生成（プライマリーコンプレッサー）
機材例：北越工業製 PDSK900S（スクリュ回転型2 段圧縮油冷式）• 吐出量 25.5 m3/min、吐出圧力 2.41 MPa• 寸法 長さ 4,670 mm × 幅 2,100 mm × 高さ 2,315 mm• 重量 7,300 kg• ディーゼルエンジン• 燃費（70%負荷）：53 L/hr

• 運搬重機 10ton トラック12

コンプレッサー類（ブースターコンプレサー）
役割：大容量圧縮空気の圧入（ブースターコンプレッサー）
機材例：Ariel製 JGQ-2• 吐出量 56.6 m3/min、吐出圧力 7.73 MPa• 寸法 長さ 4,830 mm × 幅 2,270 mm × 高さ 2,410 mm• 重量 7,700 kg• ディーゼルエンジン• 燃費（参考）：30 L/hr

• 運搬重機 10ton トラック13

エア／マッドセパレータ
役割：回帰した坑内流体を気体と液体に分離仕様例• 寸法 胴径 1,920 mm φ × 高さ 3,900 mm• 出口径 8”
• 処理能力 蒸気 30 t/h、熱水 250 t/h

14ローテティングヘッド、ストリッパーラバー
役割：掘削中に回帰する坑内流体の作業フロアへの噴出防止
仕様例• 寸法 長さ 686 mm × 幅 686mm × 高さ 860mm• ストリッパーラバー径はドリルパイプ径に適合させ、必ず予備を準備• 回帰が激しい場合、ラバーとストリングス間からフロア上にリークするケースもあるため、保護具等を必ず着使用

アニュラーBOP
バンジョーBox
ラムBOP
主弁

ロー
テテ
ィ
ン
グ
ヘッ
ドス
トリッ
パー
ラバー

袖弁、
スプール

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サブ類
フロートサブ及びフロートバルブ

役割：フロートバルブをサブに内挿し、ドリルストリングス内からのエアの逆流を防止• 編成上部とビット直上に取り付ける• フラッパータイプは、抑留回復作業や方位傾斜測定等でDP内へのツールの降下を想定して、ストリングス上部にセットする

ジェットサブ
役割：ストリングス途中に組み込まれ、サブ側面のノズルから空気混合泥水を噴出し、アニュラス流体の上昇を補助する
仕様例：ノズル径 10/32” (約8mm)

ドリ
ル
パ
イ
プ
ジ
ェットサ
ブ

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ケー
シン
グ

バルブマニホールド①エア送気量調節（コンプレッサシステム出口）②②エア供給系統の切替（スタンドパイプ入口）

バイパスバルブ

①②マス
ニタ
ホンード
ルパ
ドイ
プ

エ
ア用
フロ
ア
マ
ニ
ホー
ル
ド

セパレータ

泥水

空気
混合
泥水
泥水

①
泥水

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ス
タン
ドパ
イ
プ
マ
ニ
ホー
ル
ド

計器類
役割：エア送気量の確認・記録
機器例• オリフィス付き差圧流量計 OD 4″、オリフィス ID 1.75″• Barton社製 差圧記録計• 無線式監視カメラ（回帰状況確認用）

差圧記録計
オリフィスフランジ18流量調整弁、脱圧サイレンサー
役割：坑内圧入量の調整
仕様例• ニードルバルブ• 基本は全開にし脱圧サイレンサー側へ送気• 少しずつ開度を絞り坑井側へ送気（全閉ですべて坑井へ送気となる）

坑井

脱圧サイレンサー

脱圧サイレンサーへ
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エア配管
役割：圧縮空気の輸送
仕様例：• 径 2～3”• 材質 STPG SCH80• 耐圧 FIG 206, 2,000 psi（使用圧力の２倍以上の耐圧）• 設置時は振動防止処置を施す

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Ⅱ

空気混合泥水掘削の実務• 計画• 組立・解体作業• 坑内作業• 掘削中評価• 関係法令21

計画
1. 空気混合泥水掘削を計画するにあたり、近傍坑井情報をレビュー• 近傍の坑井掘削実績の収集整理➢ ケーシングプログラム、傾斜掘削実績➢ 送泥量、ポンプ圧、ROP、WOB、BHAなどの各種掘削パラメータ➢ 泥水性状、逸泥状況、エア送気量等の空気混合泥水掘削実績➢ 検層で得られた坑井情報（温度、逸泥深度、坑内流動の有無等）

2. レビュー結果および掘削工事計画を踏まえて、推定されるリスクと低減策を取りまとめ、計画立案➢ シミュレーションを実施し、必要となる機材、スペック等を検討

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計画（シミュレーション例）
エアレーションのシミュレーション例
【入力】
【結果】
• 傾斜掘削計画、ケーシングプログラム• 3.5”DP（ID 2.602 inch）、2500m• ビットノズル 流路面積 0.44in2• 送泥量及び坑内流体 清水（比重 1、粘性1cp）• 送泥量500L/min、エア量
30m3/minの場合、ポンプ圧（コンプレッサ出口圧力）は4.6MPa

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計画（エア比の計算式）
エア比（QA/QM）の計算式（阿部,1986）

QA：送気レート（m3/min）
QM：送泥レート（m3/min）
ρ：泥水比重
h1：坑内水位（m）
H：垂直深度（m）
例：掘削深度1000m、坑内水位200m、泥水比重1.05
エア：泥水＝約10:1、ホールクリーニングを考慮し送泥量を2000L（2m3）/minとするとエア送気量は20m3/min
空気混合泥水（アニュラス部泥水）の見掛け比重≒0.84「掘削技術の知識と実務 ロータリー式掘削編」より
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組立・解体作業
現地における組立の標準工程は4日程度、解体の標準工程は3日程度（プライマリーコンプレッサー2台、ブースターコンプレッサー1台）

ハウス他

コンプレッサー類、配管類敷設、配管耐圧試験、リース品搬入・据付

小物資材搬入・据付

消防検査

各種試運転

• 事前に現地視察を行い、敷地や搬入路条件から詳細工程を検討• 運搬重機（フェリー含む）の手配、運搬にかかる日数等の観点から、半月～１か月程度の余裕をもって動員手配（現場ごとで協議）
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組立・解体作業（設備配置例）• 設備配置例（プライマリー2台 ＋ ブースター1台）
エア供給量 最大 約50 m3/min、吐出圧 最高 約7MPa(高圧ガス保安法適用除外とする場合は5MPaが最高)
約20mタ
ン燃ク料

プライマリー
コンプレッサー①タン燃ク料ブースター
コンプレッサー約7ｍ
タン燃ク料

プライマリー
コンプレッサー②※配管の調整でプライマリー、ブースターの配置は柔軟に変更
可能

流調弁
チャッキ弁
（逆止弁）

脱圧
サイレン
サーデリ
バリーライン

坑内へバイパスライン

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坑内作業（編成等）• スタビライザー編成で全量逸泥中の場合• ビット + フロートサブ + スタビ + DC +HWDP ＋ DP + … + ジェットサブ +DP + フロートサブ＋ DP + …

• DHMや、PDCビット使用時の留意点
1. ポンプレート毎の圧力を確認し送気可否を判断（最大使用可能圧力 5 MPa を超えないか）
2. 低ポンプレートでも上限を超えていた場合は掘削工事会社と協議し、オープンノズルにする or マッドモーター等を外す等を実施
社内資料より27

坑内作業（掘削用泥水の調泥）• 調泥• フォーマーをサクションラインに、デフォーマーを回帰後に添加• 泥水の補充、粘性比較的高く保持• 地層流体を引き込み、泥水のファンネル粘性が低下傾向• ファンネル粘性 40秒以上• 腐食対策フォーマー掘削では緻密で丈夫な泡を形成し、掘管類との空気の接触を抑制できるため、腐食を抑えながら掘削可能だが、腐食が大きい場合は以下を添付• pHは10~12に維持• ガス腐食対策として各種除去剤を混入• 腐食防止剤（コロージョンインヒビター）、酸素除去剤、スケールインヒビター

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坑内作業（降管）• 降管
1. ビットを取り付け、降管開始
2. フロートサブをビット直上に取付

フロートサブ（フラッパータイプ）

ジェットサブ

3. STB、DC、HWDP、取り付け、DPスタンド内に（ジェットサブおよび）フロートサブ（フラッパータイプ）を取付

4. ビットが裸坑に入る1~2ジョイント上でストリッパーラバー取付

ケーシング

スタビライザー
フロートサブビット※ケリー掘りの場合、ラバー内側の摩耗軽減のためケリーにドライブブッシングを取付

5. ドリルパイプ内外に腐食防止剤（コロージョンインヒビター）を塗布 or 泥水添加しながら降管継続

ドライブブッシング

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坑内作業（泥水循環）• 循環
1. 坑底確認後に送泥のみを行い、ノズル詰まりが無いかを確認、スタンドパイプへエア送気開始➢ 最初のエア量は水位や逸泥量を考慮し決定➢ エアは徐々にを上げてフラッシング、キックしないように注意

2. 圧力変動、回帰状況をモニタリングしながらエア送気量、送泥量を調整。回帰が少なければ徐々にエア量を上げる、またはポンプ量を下げ、エア比を上げる
3. 循環が確立したら掘削を開始➢ 回帰温度が急上昇した場合、まずはポンプ量を上げ（エア比を下げ）冷却効果を高める、またはエア量を下げる30

坑内作業（泥水循環）• 循環• 理想としては若干のオーバーバランス（100L/min程度の逸泥）➢ 完全なアンダーバランスの場合、回帰量が貯泥設備容量をオーバーして環境事故となるリスク➢ 坑内温度が上昇しフラッシングやツールㇲを破損するリスク⇒ 泥水が回帰するピット・タンクの水位レベルと泥水温度は常時監視する

無線通信機器や遠隔カメラ等を活用し、掘削クルーと連携しオペレーションを管理！
坑内温度上昇流体膨張で回帰状況、ピットレベルをしっかり管理！

地層流体の引込アニュラス圧低下

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坑内作業（追坑、揚管）• 追坑

坑内の圧力バランスをできるだけ崩さないように素早く追坑
1. 掘削後、マニホールドのバイパスバルブを開け、エアをバイパス

2. 送泥のみでビット直上のフロートバルブより上部にあるエアを泥水に置換
3. ストリングス内からの逆流に注意しながらパイプを継ぎ足し

TDSでの掘削は、スタンド（3ジョイント分）での追坑が可能で、1ジョイントでの追坑となるケリー掘削よりも追坑頻度を抑えられる⇒循環を中断する頻度が減り、坑内圧力バランスが崩れにくいため有利• 揚管
1. 掘削完了後、空気混合泥水でザク上げ、埋没除去
2. エアをバイパスし、坑内容量分程度の送泥により坑内に残ったエアを排出

3. コロージョンインヒビターを塗布しながら編成を揚管

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掘削中評価（掘削データ他監視記録）• 掘削• 静圧、差圧、ポンプ圧、送泥量、回帰状況をモニターし、状況に応じてエア送気量及び送泥量を調節• 定期的に数値を記録• 協力会社ではマッドロギングのような連続記録システム（デジタル）を開発中

社内資料より33

掘削中評価（エアチャート）• エアチャート
• オリフィス前圧（青線）• 差圧（赤線）• 一周で24時間分を記録➢ オリフィス前圧と差圧からエア送気量を算出➢ 前圧、差圧の変化（変曲点）からドリリングブレイクを推定

コン
プ
レ
ッ
サー側

坑
井側

P1-P2が差圧

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関係法令• 高圧ガス保安法• 消防法• 道路交通法35

関係法令 高圧ガス保安法
法令適用を受ける事項

申請先

圧縮空気の製造

高圧ガス保安法製造使用する圧縮空気が装置の出口で35℃の圧力に換算し、5MPa以上で生産量300m3/日以上は第一種高圧ガスとなり許可申請が必要
各都道府県※第一種高圧ガス：希ガス、窒素、二酸化炭素、フルオロカーボンまたは空気⇒5MPa未満であれば適用除外

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関係法令 消防法
法令適用を受ける事項

申請先

少量危険物の貯蔵もしくは危険物貯蔵所（取扱所）の設置

消防法
もしくは火災予防※種々の条件（使用予定機材、条例
工事予定地の燃料手配タイミン
グ、指定数量等）から検討

設置する場所の所轄消防署【九州での実績】
コンプレッサー類運転に際しては、各コンプレッサーの消費量は約1,000リットル/日のため、990リットルの軽油燃料タンクを3基設置し毎日給油

消防法第９条の４に規定する指定数量（経済産業省 関東経済産業局 HPより引用）

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関係法令 道路交通法
法令

道路交通法

適用を受ける事項

申請先輸送に使用するトレーラーおよびクレーンの通行（下記制限を超える車両）
ただしトラックで輸送可能であればクレーンの通行のみが対象

国土交通省※通行許可はオンライン申請にて許可取得可能（http://www.tokusya.ktr.mlit.
go.jp/PR/index.html）※ブースターコンプレッサーは機種によってトレーラーでの輸送となることもある38

ご清聴ありがとうございました
エアサービスについてのお問い合わせをお待ちしております。

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